0 引言
2023年9月24日，美国奥西里斯-雷克斯（OSIRIS-REx）探测器的返回舱着陆在美国犹他州预定落区，虽然下降过程中降落伞的指令时序发生了问题，但该返回舱的着陆仍然是安全的，并将取自贝努小行星的样本成功送回。自此，人类于月球以远的深空共计开展了5次取样探测，包括美国的起源号、星尘号、奥西里斯-雷克斯号，以及日本的隼鸟一号和隼鸟二号，取得了来自彗星、小行星以及太阳风的样本，为人类探索宇宙、认识宇宙的事业迈进了一步。目前，中国也已经启动了小天体取样返回任务，该任务正在稳步推进，将一次实现近地小行星伴飞、取样、返回，以及对主带彗星伴飞等任务，并为后续火星取样返回任务积累经验，推动我国深空探测整体能力的提升[1-5]。
目前已经开展的多次无人深空探测取样返回任务，返回舱高速再入地球大气后，在返回舱自身气动减速的基础上，均采用了降落伞回收系统来保证最终的低速着陆，以确保深空样品的安全。本文对已经开展的各月球以远的深空无人取样探测器的降落伞回收系统的方案进行归纳，并对涉及的降落伞选型、开伞控制、长期空间在轨贮存等关键问题进行分析，为后续相关研究提供参考。
1 深空取样探测器降落伞回收系统方案
1.1 起源号降落伞回收系统
美国的起源号探测器用于从日地拉格朗日点收集太阳风粒子并带回地球，于2001年8月8日发射，2004年9月8日返回地球，但其降落伞未能打开，返回舱坠毁在犹他州的沙漠上，导致收集到的太阳风粒子受到较大程度污染，但有部分保存完好，可用于进行科学研究。
起源号的降落伞回收系统采用二级降落伞方案，由减速伞和主伞组成。减速伞的标称开伞条件是海拔高度为33 km、开伞速度为1.8 Ma。减速伞采用了一顶名义直径为2 m的盘缝带伞，其伞型参数继承自海盗号Mars探测器降落伞。主伞采用冲压翼伞，在海拔高度为6.7 km或为7.4 km打开，携带返回舱以滑翔比为2、最终垂直速度不大于4.6 m/s的状态下降，并与直升机配合实现空中捕获回收。主伞所用的冲压翼伞选用的Hi Lifter伞型，源于双人跳伞训练用伞。
起源号翼伞面积为39 m2，有11个气室，展弦比为2.8∶1。起源号的翼伞并不进行转弯操控，而是在翼伞外缘附加了捕获网以便于直升机钩取。如图1 所示。捕获网在各个角上有承力绳将钩取时的载荷传递到翼伞与返回舱之间的连接带上。伞绳采用芳纶材料制作。为确保开伞过载不超过7 g，采用了滑布收口技术，滑布尺寸为0.86 m×0.66 m。基于起源号探测器布局设计，翼伞伞包为中空截锥形状。值得注意的是，在翼伞伞包和连接带之间，使用了撕裂带来降低翼伞拉直过程中连接带上承受的载荷。
1.2 星尘号及奥西里斯-雷克斯号降落伞回收系统
星尘号及奥西里斯-雷克斯号降落伞回收系统采用二级降落伞方案，由减速伞和主伞组成，主要参数如表1 所示。
表 1 深空取样返回降落伞回收系统方案特点Table 1 Design characteristics of deep space unmanned sampling and returning explorer parachute recovery systems |
| 任务 | 返回舱重量/kg | 降落伞伞型 | 降落伞规模 | 开伞方式 | 开伞控制方案 |
| 起源号 | 206 | 1）盘缝带伞 2）冲压翼伞 | 1）2.03 m D0 2）39 m2 S0 | 1）弹射开伞 2）减速伞分离时拉出主伞 | 1）过载-时间开减速伞 2）延时开主伞 |
| 星尘号/奥西里斯-雷克斯号 | 45 | 1）盘缝带伞 2）三锥伞 | 1）0.8 m D0 2）7.3 m D0 | 1）弹射开伞 2）减速伞分离时拉出主伞 | 1）过载-时间开减速伞 2）压力高度控制开主伞 |
| 隼鸟一号/隼鸟二号 | 16.3 | 十字伞 | 2.86 m D0 | 弹射开伞 | 过载-时间 |
减速伞采用了一顶盘缝带伞，在返回舱下降到海拔32~33 km、速度约1.4 Ma时由弹伞筒弹射开伞。减速伞开伞后对返回舱进行减速，下降到海拔2~3 km、速度约0.15 Ma时由切割器作动分离并拉出主伞。减速伞名义直径为0.84 m，盘、缝、带的比例参考自海盗号Mars探测器，盘的直径为0.58 m，缝的宽度为0.03 m，带的宽度为0.1 m。伞绳长度为1.65 m，连接带及吊带总长度为8.1 m，从而保证拖曳比达到10。为了防止伞绳扭转缠绕，在伞绳和连接带之间设置了一个旋转接头。减速伞伞衣材料为锦丝绸，伞绳、连接带和吊带均采用芳纶材料。
主伞采用了一顶名义直径为7.3 m的三锥伞，携带约45 kg的返回舱以标称4.5 m/s左右的速度安全着陆。返回舱着陆时，过载传感器触发分离主伞，以防止在地面风的作用下主伞拖曳返回舱。主伞分离时采用切割器形式，分离部位位于主伞的吊带汇交处。主伞材料与减速伞类似，伞衣材料采用了锦丝绸，伞绳和连接带、吊带材料采用了芳纶。除了实现气动减速与稳定功能外，在主伞吊带上还安装了一个雷达角反射器，以及一个UHF频段的信标天线。
整个降落伞系统安装在一个硬铝合金制造的伞舱内，伞舱盖用于开伞前的密封和防热。弹伞筒弹射减速伞的同时将伞舱盖弹射分离。由于减速伞弹伞筒非常小，直径0.04 m，长度0.11 m，减速伞没有设置伞包，而是直接包装在弹伞筒内的弹射时分离出的圆筒状活塞托盘内。为了避免弹射后活塞托盘与减速伞乃至后续的主伞碰撞，还专门设置了一个名义直径为0.24 m的方形伞用于对活塞托盘进行减速。该降落伞折叠在减速伞伞衣内，与减速伞分离时展开。除弹射外，降落伞系统的分离动作总共采用了3个切割器，其中两个用于开主伞时的减速伞分离，1个用于落地时的主伞分离。
星尘号及奥西里斯-雷克斯号返回舱的再入控制装置中敏感器部分包括过载开关和大气压力传感器，基于返回舱为弹道式返回的特点，其减速伞开伞采用了过载-时间控制方案，其主伞开伞采用了压力高度控制方案。如图2 所示，返回舱侧壁开设了取压孔。
1.3 隼鸟一号及隼鸟二号降落伞回收系统
日本的隼鸟一号探测器于2003年5月9日发射，用于对小行星25143（又名“糸川”）进行采样探测。隼鸟一号于2010年6月13日返回地球，着陆在澳大利亚内陆。隼鸟一号是人类第一次对地球有威胁性的小行星进行物质收集并带回的探测器。隼鸟二号探测器在设计上与隼鸟一号基本相同，于2014年12月3日发射升空，对小行星1999 JU3进行探测、采样并携带样本于2020年12月6日返回，着陆在澳大利亚南部沙漠地带。
隼鸟一号及隼鸟二号探测器返回舱的降落伞回收系统方案基本一致，采用一级降落伞方案。返回舱下降到大约海拔5 km高度开伞，开伞控制采用过载-时间控制方案，利用加速度传感器判断过载达到5 g时启动延时，延时244 s后开伞。为了确保可靠，还设置了备份延时指令，即使加速度传感器出现问题，也能发出开伞指令。
返回舱利用一个双作动火工装置同时分离前端防热大底和后端防热罩，后端防热罩以10 m/s的相对速度与设备舱分离，并拉出降落伞。降落伞为十字伞，一次性充气张满，未进行收口。伞衣使用涤纶材料制作，伞绳、连接带、吊带使用了芳纶材料。隼鸟几号返回舱使用的十字伞名义直径为2.86 m，伞衣面积为4.24 m2，包装体积不超过2.33 L。返回舱在降落伞作用下落地后，基于过载判断，分离机构作动，抛掉降落伞以避免返回舱被降落伞拖曳。
1.4 小结
起源号、星尘号、奥西里斯-雷克斯号、隼鸟一号和隼鸟二号降落伞回收系统方案对应的返回舱重量、降落伞伞型、降落伞规模、开伞方式以及开伞控制方案等主要特点如表1 所示。表1 可见取样返回舱的重量差异较大，对于较重一些的返回舱适宜采用二级降落伞方案，第一级为减速伞，第二级为主伞。减速伞一般采用盘缝带伞，是一种适用于超声速、低密度、低动压条件的伞型。减速伞开伞均为弹射方案，以确保在返回舱高速再入情况下能不受回流区影响而迅速拉直充气。主伞的伞型选择相对多样，因为其开伞速度已经较低，可以适用的伞型多，可根据探测器的具体情况综合考虑。对于开伞控制方法的选择，目前的深空取样返回舱均为弹道式再入方式，均采用了经典的“过载-时间”的开伞控制方案。
2 降落伞回收系统的关键问题
2.1 降落伞伞型选择
2.1.1 减速伞伞型
2.1.2 主伞伞型
主伞一般都是在亚声速下开伞，有诸多伞型可以选择，需要根据探测器的任务需求以及各种约束条件综合考虑。
起源号为了实现空中回收，采用了冲压翼伞，主要是利用冲压翼伞的滑翔能力，使直升机便于接近并进行勾取操作。目前，在航天器回收、物资空降等领域，具备滑翔能力并可进行归航控制的降落伞类型，基本上已经收敛到了冲压翼伞这种伞型，但其翼型是多样的，一般从飞机低速翼型演变而来，需要根据升阻比、展弦比、伞衣外形等进行选择或改进。
星尘号与奥西里斯-雷克斯号选择了三锥伞伞型，隼鸟一号与隼鸟二号选择了十字伞伞型，这两种均为常规伞型，各有特点。三锥伞的阻力系数较大，但摆动角度也相对较大，十字伞阻力系数偏低，但稳定性好，摆动角度小[28]。
几种降落伞伞型的主要特点见表2 。总的来说，伞型选择需根据开伞条件、减速需求、探测器总体方案等多种因素综合分析确定。
表 2 几种降落伞伞型特点Table 2 Features of several parachute types |
| 伞型 | 气动性能 | 摆动角/ （º） | 约动载 系数 | 适用开伞 速度/Ma |
| 盘缝带伞 | 阻力系数：0.41~ 0.58 | ±15 | 1.30 | < 3.0 |
| 冲压翼伞 | 合气动力系数：0.75~0.85 滑翔比：2.3~3.5 | — | 2.0 | < 0.3 |
| 三锥伞 | 阻力系数：0.80~0.96 | ±20 | 1.8 | < 0.5 |
| 十字伞 | 阻力系数：0.60~0.78 | ±3 | 1.2 | < 0.5 |
2.2 长期空间在轨贮存
深空取样探测器的在轨时间长，降落伞回收系统又工作在全过程的最后阶段，制作降落伞的绸布、绳带材料基本上都是锦丝、芳纶等高分子纤维编织而成，且长期空间在轨贮存时一直处于折叠包装的状态。因此，降落伞产品的长期空间在轨贮存适应性是必须关注的关键问题。
从起源号、星尘号、奥西里斯-雷克斯号、隼鸟一号、隼鸟二号这5个已执行深空取样返回任务的航天器来看，最长在轨时间达到7年有余，降落伞系统工作正常，可见基于高分子材料体系的降落伞产品是能够适应长期空间在轨贮存状态的。但是，经过长期空间在轨贮存后，降落伞的性能指标发生什么程度的变化，仍然是需要明确的问题，也决定了产品设计时的性能裕度如何设定。
为了评估高分子特纺材料长期空间在轨性能的变化，起源号降落伞系统的研制人员开展了相关测试。起源号探测器在轨飞行3年多时间后返回地球，虽然返回舱没有正常开伞，但收回的降落伞仍然可以对其材料进行测试。起源号减速伞包装密度为0.641 kg/L，科研人员对减速伞拉出后进行了取样，用于进行强度测试，获得的结果与设计需求及星尘号主伞相关材料数据（与起源号减速伞所用材料相似）进行了对比评估，主要结果如表3 所示。表中样品取样部位如图6 所示。此外，对起源号减速伞伞衣取样样件进行了织物透气量测试，结果表明增加了12%，仍在指标范围内[29]。
表 3 起源号减速伞飞行后取样测试数据Table 3 Sample test results of drogue parachute of Genesis after flight |
| 样品 | 材料 | 测试均 值/N | 原材料 均值/N | 变化率/% | 强度需 求/N | 剩余裕 度/% |
| 短连接带 | 芳纶 | 12500 | 11100 | +13 | 7140 | 90 |
| 主连接带 | 芳纶 | 19870 | 19600 | +1 | 7140 | 202 |
| 上连接带 | 芳纶 | 8235 | 7393 | +11 | 3570 | 150 |
| 伞绳 | 芳纶 | 1142 | 1196 | −5 | 446 | 178 |
| 伞衣 （盘、带） | 锦丝绸 | 655 | — | — | 446 | 59 |
总的来说，从起源号减速伞取样测试结果来看，经历3年左右呈折叠包装状态的在轨飞行贮存后，降落伞特纺材料的强度性能和透气量性能变化幅度不大，依然能够满足指标需求。但是，以上材料性能测试并不是基于同批材料飞行前后的数据对比，只能作为参考。对于降落伞用特纺材料的长期空间在轨适应性，还需要更严谨地开展研究工作。
2.3 开伞控制
降落伞回收系统的开伞控制关系任务成败。选择合适的开伞条件是降落伞回收系统设计的一个关键，尤其要关注的是，应选择合适的开伞高度，确保开伞高度的偏差散布在适合的范围之内。若开伞点选择不合理，可能导致开伞时动压和马赫数过大，增大降落伞充气时的气动过载或气动热流，导致降落伞损伤；若开伞高度过高，返回舱落点散布可能太大，甚至超出落区的范围；若开伞高度过低，则有可能返回舱落地时未达到稳降速度。
从前文几项深空取样返回任务的设计方案来看，返回舱全部是弹道式再入的方式。对于弹道式再入，比较优选的开伞控制方案是过载−时间控制，其原理在于返回舱进入大气层后产生的最大过载对应的时间相差不大，通过对返回弹道的分析，可以事先选择一个过载值作为时间控制的启动信号。这种方法使得时序启动后到开伞所需经历的时间有效缩短，能减少累积误差，缩小降落伞开伞条件的散布范围。
星尘号及奥西里斯-雷克斯号返回舱减速伞开伞采用过载−时间控制，而主伞控制还使用了压力高度控制。实际上，一般情况下主伞的开伞控制完全可以在减速伞开伞指令的基础上进行延时，因为在减速伞作用下主伞的开伞条件较好，散布较小。星尘号及奥西里斯-雷克斯号返回舱的设计的优势主要在于通过异构控制方案，确保主伞的开伞可靠，提升系统可靠性；实现主伞开伞高度的准确控制，避免减速伞开伞及工作阶段误差散布的影响；此外，可以记录返回舱着陆过程的压力高度变化曲线，有利于数据分析。据报道，奥西里斯-雷克斯号返回舱在返回下降过程中出现了控制程序异常现象，基于过载−时间控制的减速伞开伞指令与减速伞分离拉主伞指令映射错误，导致减速伞未正常打开而是在舱内提前执行了分离指令，好在压力高度控制的开主伞指令正常，且主伞强度设计余量保证了异常开伞条件下的正常工作[32]。
2.4 回收标位
深空探测取得的样品弥足珍贵，返回舱着陆地面后地面人员应第一时间尽快地到达落点，对样品进行保护处理和转运。在返回过程中，地面测控系统会利用光测设备、雷达设备等手段跟踪返回舱的飞行轨迹并预估其落点位置。但考虑弹道散布、落区地形、天气影响、穿越黑障等诸多问题，为了利于对返回舱的回收和搜寻，往往需要在返回舱上配置定位和信标装置。
返回舱上常用的定位和信标装置的主要类型有无线电信标设备、卫星导航定位设备、闪光标位设备等。 例如，我国的神舟飞船返回舱配置了国际救援示位标、着陆搜寻信标机、北斗短报文收发终端、铱卫星手机、海水染色剂和回收闪光灯的回收着陆搜救系统，从而实现对载人飞船的正常模式及自主应急返回模式的支持，实现全球陆上及海上的搜救[33]。
对于深空无人取样返回任务，其返回舱的规模较小，重量、体积有限，需根据探测器的系统方案合理选择回收标位的配置。结合降落伞回收系统折叠展开的构型特点，实现回收标位是一种有效降低重量体积代价的方式。如前文介绍的隼鸟号探测器降落伞回收系统方案，采用了柔性的无线信标发射天线并随降落伞弹射时展开，在降落伞伞衣上设置了雷达反射面从而显著提高了雷达可探测面积。类似地，我国探月工程三期取样返回器也采用了柔性伞绳式回收信标天线布置在主伞吊带上，随主伞拉出，在返回舱下降过程中发出243 MHz标位信号[34]。此外，我国的返回式卫星返回舱、美国的航天飞机助推器等所使用的主伞在伞顶上均设置有伞顶浮囊，可以在飞行器落水后实现较长时间的水面漂浮与标位。
3 结语
采集样本并返回地球，从而开展非常详细的科学研究，是深空探测领域中非常关键的方式。截至目前，人类对于月球以远的深空共计开展了5次无人取样探测，包括美国的起源号、星尘号、奥西里斯-雷克斯号以及日本的隼鸟一号和隼鸟二号。这些深空无人取样返回航天器均采用了降落伞回收系统。本文对各回收系统的方案及关键问题进行了梳理，得出如下结论：
（1）目前月球以远的深空取样返回任务的返回舱均采用了弹道式返回的方式，返回舱系统配置较为简单。从起源号到隼鸟号，重量从几百千克变化到十几千克，返回舱的轻小型化是明显的发展趋势。
（2）由于返回舱再入速度很大，靠自身气动外形减速程度有限，需要配置降落伞进行气动减速，因此降落伞系统的配置根据返回舱重量、阻力面积及回收方式，存在较大的差异。一般采用二级降落伞系统，第一级的减速伞在超声速条件下开伞，从而避免返回舱的动不稳定、第二级的主伞主要是保证返回舱以安全速度稳降。如果返回舱自身的稳定性和阻力面积足够，也可在亚声速条件下直接开一顶主伞。
（3）深空取样返回舱超声速条件下开伞的减速伞均选择了盘缝带伞，这是一种在超声速，同时在低密度、低动压条件下完成开伞工作的安全可靠的伞型。对于较低速度条件下打开的主伞，伞型的选择较为多样。但是，如果需要实现空中滑翔下降，则一般应选择冲压翼伞。
（4）对于弹道式再入，开伞控制的优选方案是过载—时间法，能减少累积误差，缩小降落伞开伞条件的散布范围。在此基础上，可以进一步结合进静压高度控制等方法，通过异构冗余的方式提高开伞控制精度和系统可靠性。
（5）结合上述深空取样返回任务的飞行情况，降落伞产品经历的最长在轨时间达到了7年。这些降落伞产品的主要材料是锦纶、芳纶类材料。但是，目前针对降落伞材料经历深空在轨环境前后的性能研究并不充分。美国起源号任务中开展了相关的测试，但并不是对同批材料开展，覆盖性并不充分。因此，对于降落伞的长期在轨适应性有必要开展更为系统全面的研究。而深空取样返回任务的降落伞系统应设计足够的安全裕度，以确保工作可靠。
（6）对于重量、体积有限的返回舱，可以在降落伞系统的基础上进一步拓展出回收标位的设计，如柔性信标天线、雷达发射面、伞顶浮囊等，可有效提升返回舱的回收标位性能，保证落地后第一时间获取深空取样样品。